В данной статье описывается блок входного смесителя для TRX с одной промежуточной частотой, включаемый между входным диапазонными фильтрами (ДПФ) и кварцевым фильтром основной секции (ФОС). Блок обеспечивает предельно достижимый на сегодняшний день динамический диапазон (DD) по интермодуляции более 110 dB.
Однако, перед тем как браться за изготовление приемника с DD более 110 dB (честно скажу - занятие весьма недешевое), следует задаться вопросом: действительно ли столь высокая линейность нужна в вашем конкретном случае? Надо понять - действительно ли это необходимость, или дань моде и погоне за предельными цифрами? Рассмотрим некоторые практические ситуации подробнее.
1. Если в радиусе нескольких километров от вас нет соседей-радиолюбителей или мощных служебных передатчиков, максимальный уровень помехи определяется сигналами удаленных передатчиков. Даже если он составляет 15 mV (т.е. по шкале S это 9+50 dB!), а уровень шумов эфира — 0,5 uV, то динамический диапазон сигналов составляет только 90 dB. Соответственно реальную избирательность приемника просто не имеет смысла делать больше этой цифры. Однако если кто-то из проходит у Вас на 59+60 dB, то понадобиться приемник с DD по интермодуляции 100 dB. Сказанное относится к высокочастотным диапазонам. На низких частотах же уровень собственных шумов эфира выше, поэтому для согласования DD на входе должен быть установлен пассивный аттенюатор, ослабляющий шумы эфира до значения в два-три раза превышающего чувствительность приёмника , то есть с ослаблением 6...20 dB.Казалось бы требования к DD на НЧ из-за этого должны быть ниже, но в реальности дело обстоит скорее наоборот - уровень сигналов от мощных станций на НЧ в крупных тестах достигает просто устрашающих величин. Послушайте CQWW160 или диапазоны 80 и 40 метров в обычном CQWW и посмотрите на стрелку S-метра.Можно даже не дожидаться теста - подключите согласованную полноразмерную антенну не к приёмнику, а к осциллографу (не забыв нагрузочный резистор 50 Ohm) - вечерами там можно увидеть не только 50 mV (это уровень S9+60 dB), а и намного более высокие значения.
Конечно свою долю вносят и мощные вещательные станции, которые в трансивере по идее должны ослабиться входным полосовым фильтром. Хотя это тоже бабушка надвое сказала - на7 MHz многокиловаттные вещательные станции вплотную примыкают к любительскому диапазону, а если Вы вознамеритесь послушать SSB станции США, то слушать придется как раз между этими вещательными станциями.
2. Если у вас есть только один мешающий передатчик, расположенный по соседству, то для избавления от помех улучшения только DD приемника до 110 dB недостаточно. Кроме того, надо, чтобы уровень паразитных излучений передатчика соседа был бы такого же порядка. А это, увы, большая редкость. Даже если исключить случаи плохо отлаженных и нелинейных ТХ, перегруженных по входу PA, подключенных к мощному PA простейших QRP TRX с большим уровнем паразитных излучений, то проблема, тем не менее, остается весьма сложной.
Например как фирменные, так и самодельные синтезаторы частоты среднего класса имеют спектральную плотность шума — 100...120 dBHz. Т.е. при полосе RX 2400 Hz уровень боковых шумов относительно полезного сигнала составляет -70...-90 dB (на 33 dB больше спектральной плотности). Пусть, например, вы слышите соседа с уровнем S9+60 dB. Тогда во всем диапазоне вы будете слышать шум его синтезатора частоты с уровнем на 70...90 dB ниже, т.е. 4...7 баллов (!) по шкале S. Шум синтезатора может полностью закрывать тот диапазон, на котором работает мешающий ТХ и один-два диапазона вниз по частоте (верхние диапазоны подчищаются выходным П-фильтром ТХ).
Почти такая же ситуация имеет место, если в мешающем ТХ использован ГПД с развязкой от буферных каскадов очень малыми емкостями, и/или в ТХ используется низкоуровневый смеситель с малыми амплитудами сигнала и гетеродина. Такие ТХ шумят немногим меньше, чем ТХ с синтезатором. То есть при любой, сколь угодно большой избирательности вашего RX, реальный динамический диапазон принимаемых сигналов в точности равен уровню боковых шумов (или паразитных излучений) мешающего ТХ и составляет всего 70...90 dB. Поэтому в такой ситуации нет смысла тратить время и деньги на RX с большим DD. По крайней мере до тех пор пока сосед работает на таком аппарате...
Стоит еще заметить, что все по поводу фазовых шумов мешающего ТХ относится и к своему гетеродину приемника. То есть, если у Вас в качестве гетеродин используется синтезатор среднего класса, то ДД приёмника будет определяться не смесителе, а фазовыми шумами синтезатора. Ведь DD определяется наиболее "слабым местом" из тех блоков, которые стоят до фильтра основной селекции: УВЧ, ДПФ, смесителем, гетеродином, первым каскадом УПЧ (если он есть до ФОС). Как правило этим "слабым местом" является смеситель. Однако если вы установите смеситель с очень высокими параметрами, то очень может случиться, что какой-то из перечисленных блоков имеет меньший DD чем высококачественный смеситель и в результате DD приёмника будет хуже, чем DD смесителя.
3. Так когда все-таки нужен RX с реальной избирательностью более 110 dB?
Необходимость в нем возникает, когда имеется два или более сигнала помехи, на 100...110 dB превышающих шум эфира. Если последний составляет например 0,17 uV (ситуация "тихих" ВЧ диапазонов), то уровни помех должны быть 15...50 mB. При этом мешающие передатчики должны иметь подавление паразитных излучений и уровень боковых шумов не более 100 dB (спектральная плотность шума — не более 130 dBHz). Реально такие условия могут быть либо во время очных соревнований (под них, собственно, и разрабатывался TRX RA3AO), либо если рядом с вами находятся два и более радиолюбителей, использующих хорошо отлаженные и малошумящие ТХ.
По моим наблюдениям (они, конечно, не претендуют на полноту охвата всех типов ТХ), меньше всех шумят TRX: RA3AO, "Урал-84" и, как ни странно, UW3DI-I. Другие TRX, в которых используется обычный ГПД (UA1FA, КРС) в режиме ТХ, как правило, шумят на 6 ... 10 dB больше. Еще худшими шумовыми характеристиками обладает TRX с синтезаторами (от Р399 до импортных TRX среднего класса).
К сожалению, нередко радиолюбители уделяют основное внимание качеству приемника, полагая, что этим можно избавиться от помех. Это не так! Избавиться от взаимных помех можно только одновременно улучшая линейность и шумовые характеристики как приемника, так и передатчика! Нюанс здесь в том, что улучшая свой ТХ, вы избавляете от помех соседей (при условии, что все они используют высоко линейные RX), a чтобы избавить от помех вас (при том же условии), использовать малошумящие и линейные ТХ должны они.
Также приёмник с ДД по интермодуляции 110 dB очень не повредит для серьезной работы на НЧ. Это многократно подтверждено практикой - трансиверы среднего класса с DD по интермодуляции 70..80 dB прекрасно показывают себя на ВЧ, но НЧ нормальный приём в помехах (а на НЧ другого просто не бывает) практически невозможен.Чтобы избежать путаницы в цифрах, стоит заметить еще, что я при определении DD пользовался методикой принятой RA3AO - два мешающих сигнала отстояли по частоте на 20 kHz от принимаемого. В фирменных аппаратах цифры по DD приводятся как правило для разноса не в 20 kHz, а намного большего - до сотен kHz. Естественно, что цифры по DD выходят при этом гораздо более привлекательными, но качество приёма от этого не улучшается...
Если с учетом всего сказанного выше вы пришли к выводу о необходимости большого DD в RX, то познакомьтесь с описанным ниже блоком, который имеет следующие параметры:
Следует отметить, что точное значение DD не удалось определить, т.к. используемый стенд не позволял измерить DD более 110 дБ из-за шумов измерительных генераторов. При уровне помех +110 dB интермодуляционная помеха еще не возникала. На этом же стенде измерения смесителя RX RA3AO дали результат 102...103 dB.
Принципиальная схема блока приведена на рисунке 1, на ней же указаны коэффициенты передачи по узлам.
Собственно двойной балансный смеситель выполнен на VT1...VT4 КП905А, которые используются как управляемые гетеродином ключи без питающего напряжения на стоках. Использование полевых транзисторов улучшает линейность, а отсутствие протекания тока гетеродина через ключи (в отличие от диодов) снижает шумы и улучшает развязку. Напряжение смещения на затворах задается стабилитроном VD1. Формирователь гетеродинного сигнала (DD1 и VT5, VT6) целиком (как и кольцевое включение VT1...VT4) заимствован из [1]. На коллекторах VT5, VT6 формируются противофазные меандры с частотой гетеродина и размахом 18...19 V. На входе и выходе смесителя использованы широкополосные ферритовые трансформаторы Т1 и Т2, качество изготовления которых определяет диапазон входных частот блока.
На выходе Т2 включен классический диплексор С1 С2 L1 R1, СЗ С4 L2, настроенный на частоту ПЧ (у меня 8 MHz) и поглощающий большую часть паразитных продуктов преобразования. В отличие от примитивного диплексора, использованного в [1], данный диплексор практически не вносит потерь (менее 0,5 dB) и заметно улучшает DD смесителя, "проглатывая" и рассеивая в тепло на резисторе R1 основную часть нежелательных продуктов преобразования.
После диплексора установлены два высоко линейных и малошумящих каскада УПЧ (с DD по интермодуляции свыше 120 dB и поэтому не ухудшающие параметры блока) по схеме с общей базой [2] на VT7, VT8 с коэффициентом усиления 7 dB каждый. Для снижения шумов и упрощения печатной платы базы трансформаторов заземлены гальванически.
Выход блока рассчитан на подключение блока фильтра основной селекции со входным сопротивлением 50 Ом, однако эта величина не является "священной коровой", которой надо добиваться любой ценой. Например если ФОС расположен рядом и имеет входное сопротивление порядка 150...300 Ом, то совершенно незачем ставить на его входе повышающий трансформатор — лучше и дешевле непосредственно подключить вход ФОС к коллектору VT8 (выходное сопротивление 200 Ом).
Трансформаторы Т1...Т4 намотаны на кольцах К7х4х2 1000 НМ. Т1 и Т2 содержат 3х7 витков провода ПЭВ 0,2; Т3 и Т4 — 2х7+2 (обмотка обратной связи в эмиттере) того же провода. Поскольку только трансформаторы определяют частотный диапазон блока, то до установки на плату желательно проконтролировать их АЧХ (нагрузив их вторичные обмотки на резистор 200 Ом, а первичные на 50). Завал АЧХ на 30 МГц не должен быть больше 0,5 дБ, на НЧ можно допустить больший завал - предельная чувствительность там не нужна. L1 и L2 намотаны проводом ПЭВ 0,1 на резисторах МЛТ 0,5 с R >100 кОм. L1 — 0,5 мкГн; L2 — 2 мкГн. L3, L4 — любые дроссели с индуктивностью больше 10 мкГн.
Вместо DD1 можно использовать почти любой логический элемент ЭСЛ серии 100, имеющий парафазные выходы. КП905А заменить, к сожалению, ничем нельзя. В качестве VT5, VT6 можно использовать КТ911, КТ939А. VT7 заменим на КТ939А. Печатная плата блока показана на рисунке 2.
С верхней стороны фольга сохранена полностью и используется в качестве земляного проводника.
Все транзисторы прикручены без радиаторов, выводами со стороны печатных проводников. Резисторы R9, R10 — мощностью не ниже 1 Вт, расположены один над другим. Элементы DD1, R11...R13, L1, С1, С2, Т3, Т4, расположены со стороны печатных проводников. Монтаж смесителя VT1...VT4, R6, R7, С12, С13 — навесной на выводах соответствующих транзисторов. Знаком "x" на рисунке 2 отмечены пайки к верхней (земляной) стороне платы без сверления отверстий.
Пунктирной линией отмечены экранирующие перегородки (жесть, латунь) высотой 12...15 мм, впаянные со стороны печатных проводников. С верхней стороны экранируется только выходной контур диплексора L2, СЗ, С4 (опаивается полностью тонкой латунью или жестью по периметру и сверху накрывается крышечкой с отверстием под ротор С4). В процессе настройки может потребоваться запаять крышку-экран на диплексор и со стороны печатных проводников. Такое повышенное конструктивное внимание к диплексору связано с тем, что оба его контура по сути являются входными контурами усилителя промежуточной частоты, сигналы здесь - самые слабые во всем тракте (отсюда начинается усиление, до диплексора сигнал только ослаблялся) причем чувствительность измеряется сотыми долями микровольта! Поэтому экранировать столь "нежное" место надо тщательно, иначе близкое соседство с основным УПЧ может привести к самовозбуждению.
Сначала, отключив выходную обмотку Т2, настраивают УПЧ (VT7, VT8) и диплексор (его контура лучше до монтажа на плату настроить на ПЧ). При отсутствии ошибок и правильной фазировке обмоток Т3, Т4 коэффициент передачи по ПЧ со входа диплексора до выхода блока (нагруженного на 50 Ом) должен составить 13...15 dB, полоса пропускания по уровню 0,7 - 200... 300 kHz (для ПЧ 8 MHz).
Затем налаживают формирователь сигнала гетеродина. На коллекторах VT5 и VT6 должен присутствовать меандр с размахом 18... 19 V. VT5 и VT6 не должны входить в режим насыщения, иначе резко возрастут шумы гетеродина. Ненасыщенный режим VT5, VT6 устанавливается резистором R12. Проще всего это сделать следующим образом. На вход Fгет подают самую низкую из используемых гетеродинных частот. К коллектору VT5 (или VT6) подключают широкополосный осциллограф с открытым входом. Подбором R12 добиваются, чтобы на отрицательном полупериоде Fгет мгновенное напряжение на коллекторах VT5 (VT6) не становилось меньше 0 V (допустимые пределы 0...+2 V).
Собственно смеситель наладки не требует. Как указано в [1], есть оптимальное по DD напряжение смещения на затворах VT1...VT4. Вероятно, так оно и есть, но для того чтобы это установить, необходим измерительный стенд, позволяющий измерять DD более 110 дБ. При исследовании на упомянутом ранее стенде с верхним пределом измерения 110 дБ было установлено, что при уровне сигналов генераторов 110 дБ и изменении напряжения смещения от 4 до 9 В интермодуляционная помеха не обнаруживалась.
При использовании данного блока в RX совместно с ДПФ, описанными в [3], и с ГПД от TRX RA3AO, были получены следующие параметры (в режиме SSB, полоса 2,4 kHz):
Поскольку коэффициент передачи невелик, к выходу блока должны быть подключены ФОС с малыми потерями и малошумящий УПЧ (например аналогичный использованному в TRX RA3AO).
К цифрам приведенным выше хочу добавить, что именно на таком аппарате были выполнены условия 9DXCC, DXCC160m, 5bWAZ, 6bWAC (причем дважды, первый раз из Минска, второй раз из Бонна) и 160m WAZ (этот только из Бонна).
1. Дроздов В. Любительские KB трансиверы. — М.: Радио и связь, 1983. —С.151.
2. Рэд Э. Справочное пособие по ВЧ схемотехнике. — М.: Мир, 1990.
3. Гончаренко И. Входные фильтры KB трансивера/"Радиолюбитель. KB и УКВ." — 1996. — N11. — С.29.
4. Гончаренко И. Входной УВЧ KB трансивера/"Радиолюбитель. KB и УКВ." — 1997. — N4. — С.29.
Bonn, 24.02.2002
